Ịghọta Nyquist Sampling: Ịhazi ngwa anya na mkpebi igwefoto |

Na onyonyo dijitalụ, ọ dị mfe iche na mkpebi dị elu na-apụta na-akpaghị aka na foto ka mma. Ndị na-emepụta igwefoto na-ejikarị sistemụ ahịa dabere na ọnụ ọgụgụ megapixel, ebe ndị na-eme oghere na-egosipụta ike na-edozi ike na ịdị nkọ. N'agbanyeghị nke ahụ, na omume, ịdị mma oyiyi na-adabere ọ bụghị nanị na nkọwapụta nke oghere ma ọ bụ ihe mmetụta n'otu n'otu kamakwa n'otu aka ha si kwekọọ.

Nke a bụ ebe nlele Nyquist na-abata. Na mbụ ụkpụrụ sitere na nhazi akara ngosi, Nyquist's criterer na-edobe usoro ihe ọmụma maka iwepụta nkọwa nke ọma. N'ihe onyonyo, ọ na-ahụ na mkpebi anya anya nke oghere na-ewepụta na mkpebi dijitalụ nke ihe mmetụta igwefoto na-arụkọ ọrụ ọnụ.

Edemede a na-ewepụta ihe nlele Nyquist n'ihe gbasara onyonyo, na-akọwa nguzozi n'etiti mkpebi anya na igwefoto, ma na-enye ntuziaka bara uru maka ngwa sitere na foto gaa na onyonyo sayensị.

Kedu ihe bụ Nyquist sampling?

Onyonyo 1: Nyquist sampling theorem

N'elu:A na-atụ ihe mgbaàmà sinusoidal (cyan), ma ọ bụ atụpụta ya, n'ọtụtụ ebe. Ahịrị nwere ogologo isi awọ na-anọchi anya nha 1 n'otu okirikiri nke mgbama sinusoidal, na-ewere naanị mgbama kacha elu, na-ezochicha ụdị mgbama ahụ kpamkpam. Ọkpụkpụ a na-acha uhie uhie na-acha uhie uhie na-ewere nha 1.1 n'otu nlele, na-ekpughe sinusoid mana na-akọwahie ugboro ugboro ya. Nke a yiri ụkpụrụ Moiré.

N'okpuru:Naanị mgbe a na-ewere sample 2 n'otu okirikiri (akara edo edo edo edo edo edo) ka a na-amalite ijide n'ezie ọdịdị nke mgbaàmà ahụ.

Theorem sampling Nyquist bụ ụkpụrụ a na-ahụkarị n'ofe nhazi akara na ngwa eletrọnịkị, nhazi ọdịyo, onyonyo na mpaghara ndị ọzọ. Theorem na-eme ka o doo anya na iji wughachi ugboro nyere na mgbama, a ghaghị ime nha ma ọ dịkarịa ala ugboro abụọ ugboro ugboro, nke gosiri na Figure 1. N'ihe banyere mkpebi anyị anya, nke a pụtara na ihe anyị nwere oghere pixel size ga-abụ na kacha ọkara nke kacha nta nkọwa anyị na-agbalị ijide, ma ọ bụ, n'ihe banyere microscope, ọkara nke microscope.

Onyonyo 2: Nyquist sample na square pikselụ: nghazi ihe

Iji igwefoto nwere grid nke pikselụ square, ihe nlele 2x nke Nyquist theorem ga-ewepụta nkọwa nke dabara nke ọma na grid pixel. Ọ bụrụ na ị na-anwa idozi ihe owuwu n'otu akụkụ gaa na pikselụ grid, nha pikselụ dị irè ka ukwuu, ihe ruru ugboro √2 buru ibu na diagonal. Ya mere, ọnụego nlele ga-abụrịrị ugboro 2√2 ugboro ohere ohere achọrọ iji weghara nkọwa na 45o na grid pixel.

A na-eme ka ihe kpatara nke a pụta ìhè site n'ịtụle foto 2 (ọkara elu). Were ya na edobere nha pikselụ na mkpebi ngwa anya, na-enye ọnụ ọgụgụ isi isi mmalite abụọ gbara agbata obi, ma ọ bụ nkọwa ọ bụla anyị na-agbalị idozi, pixel nke ọ bụla. Ọ bụ ezie na a na-achọpụta ihe ndị a iche iche, ọ dịghị ihe na-egosi na nha nke na-egosi na ha bụ ọnụ ọgụgụ abụọ dị iche iche - ọzọkwa nkọwa anyị nke "ndozi" emezughị. A chọrọ pikselụ dị n'etiti, na-ewere ebe mgbama ahụ. A na-enweta nke a site na opekata mpe okpukpu abụọ nke ọnụọgụ nlele oghere, ya bụ ibelata nha pixel oghere ihe.

Mkpebi ngwa anya vs. Mkpebi igwefoto

Iji ghọta ka nlele Nyquist si arụ ọrụ na onyonyo, anyị kwesịrị ịmata ọdịiche dị n'etiti ụdị mkpebi abụọ:

● Mkpebi anya: N'ịbụ nke a na-ekpebi site na oghere, mkpebi anya na-ezo aka n'ikike ọ nwere imepụtaghachi nkọwa dị mma. Ihe ndị dị ka ogo oghere anya, oghere, na diffraction setịpụrụ oke a. A na-ejikarị ọrụ mbufe mgbanwe (MTF) tụọ ka oghere na-ebufe ọdịiche na ugboro dị iche iche.

● Mkpebi igwefoto: Ekpebiri site na ihe mmetụta, mkpebi igwefoto dabere na nha pikselụ, pikselụ pipụ na akụkụ ihe mmetụta n'ozuzu ya. Ihe ngosi pixel nke aIgwefoto CMOSna-akọwa kpọmkwem ugboro Nyquist ya, nke na-ekpebi nkọwa kachasị nke ihe mmetụta nwere ike ijide.

Ọ bụrụ na ejikọtaghị ihe abụọ a, nsogbu na-ebilite. Igwefoto nke karịrị ike idozi ihe mmetụta ahụ bụ "na-efunahụ" nke ọma, ebe ọ bụ na ihe mmetụta enweghị ike ijide nkọwa niile. N'aka nke ọzọ, ihe mmetụta dị elu jikọtara ya na oghere dị ala na-arụpụta ihe oyiyi na-adịghị mma n'agbanyeghị ọtụtụ megapixels.

Otu esi edozi mkpebi ngwa anya na igwefoto

Ịhazi optics na sensọ pụtara dakọtara ugboro Nyquist nke ihe mmetụta na ugboro nkwụsị anya nke oghere anya.

● A na-agbakọ ugboro Nyquist nke ihe mmetụta igwefoto dị ka 1/ (2 × pixel pitch). Nke a na-akọwapụta oge ohere kachasị elu nke ihe mmetụta nwere ike ịlele na-enweghị aliasing.
● Oge nkwụsị anya anya na-adabere na njirimara oghere na diffraction.

Maka nsonaazụ kacha mma, ugboro Nyquist nke ihe mmetụta kwesịrị ịkwado ma ọ bụ ntakịrị karịa ikike idozi oghere. Na omume, ezigbo iwu isi mkpịsị aka bụ ịhụ na pikselụ pikselụ dị ihe dị ka ọkara nke njiri ike idozi nke oghere oghere.

Dịka ọmụmaatụ, ọ bụrụ na oghere nwere ike dozie nkọwa ruo 4 micrometers, mgbe ahụ ihe mmetụta nwere nha pixel ~ 2 micrometer ga-edozi usoro ahụ nke ọma.

Nyquist dabara na mkpebi igwefoto & ihe ịma aka nke Pixels Square

Azụmahịa ya na nha pikselụ na-ebelata ihe na-ebelata ikike nchịkọta ọkụ. Ya mere ọ dị mkpa iji dozie mkpa mkpebi na maka nchịkọta ọkụ. Na mgbakwunye, nha pikselụ oghere ihe buru ibu na-ebuga nnukwu ihe nlele nke isiokwu onyonyo. Maka ngwa nwere ụfọdụ mkpa maka ezigbo mkpebi, a na-ekwu na a ga-akụtu 'iwu nke isi mkpịsị aka' dị ka ndị a: Nha pixel oghere ihe, mgbe a na-amụba ya site na ihe ụfọdụ maka Nyquist, kwesịrị ịha nhata na mkpebi anya. A na-akpọ ọnụọgụ a mkpebi igwefoto.

Ịhazi optics na sensọ na-agbadatakarị iji hụ na mkpebi nlere dị mma nke igwefoto dabara na oke mkpebi anya nke oghere anya. A na-ekwu na usoro ga-adaba na Nyquist mgbe:

Mkpebi igwefoto = Mkpebi anya

Ebe e nyere mkpebi igwefoto site na:

Ihe ga-aza ajụjụ maka Nyquist nke a na-atụkarị aro bụ 2.3, ọ bụghị 2. Ihe kpatara nke a bụ nke a.

Pikselụ igwefoto bụ (nke a na-ahụkarị) square, ma hazie ya na grid 2D. Nha pikselụ dị ka akọwara maka ojiji na nha nhata na-anọchi anya obosara pikselụ n'akụkụ anyụike nke grid a. Ọ bụrụ na njirimara anyị na-agbalị idozi ụgha n'akụkụ ọ bụla ma e wezụga ọnụọgụ zuru oke nke 90º n'ihe gbasara grid a, nha pikselụ dị irè ga-akawanye ibu, ruo √2 ≈ 1.41 ugboro pixel nha na 45°. Egosiri nke a na eserese 2 (ọkara ala).

Ihe akwadoro dị ka njiri Nyquist siri dị na nghazi niile ga-abụ 2√2 ≈ 2.82. Otú ọ dị, n'ihi ahia ahia a kpọtụrụ aha na mbụ n'etiti mkpebi na nchịkọta ọkụ, a na-atụ aro nkwekọrịta nke 2.3 dị ka usoro isi aka.

Ọrụ Nyquist Sampling na Onyonyo

Nyquist sampling bụ onye nche ọnụ ụzọ nke ihe oyiyi ikwesị ntụkwasị obi. Mgbe ọnụego nlele dara n'okpuru oke Nyquist:

● Nleba anya → na-ebute aha: nkọwa ụgha, akụkụ ndị gbagọrọ agbagọ, ma ọ bụ ụkpụrụ moiré.

● Oversampling → na-ewepụta data karịa ka optics nwere ike ịnapụta, na-eduga n'ibelata nloghachi: faịlụ buru ibu na nhazi dị elu na-enweghị nkwalite a na-ahụ anya.

Nlereanya ziri ezi na-achọpụta na onyonyo dị nkọ ma bụrụ eziokwu n'ezie. Ọ na-enye nguzozi n'etiti ntinye anya na njide dijitalụ, na-ezere mkpebi efu n'otu akụkụ ma ọ bụ ihe ndị na-eduhie eduhie n'akụkụ nke ọzọ.

Ngwa bara uru

Nyquist sampling abụghị naanị tiori - o nwere ngwa dị oke egwu n'ofe usoro onyonyo:

● Microscope:Ndị na-eme nchọpụta ga-ahọrọ sensọ ndị ga-enyocha ma ọ dịkarịa ala ugboro abụọ nke kacha nta nke a na-edozi site na oghere ebumnobi. Ịhọrọ nke ziri eziigwefoto microscopedị oke egwu, n'ihi na nha pikselụ ga-adakọrịrị na mkpebi dị oke mkpa nke ebumnuche microscope. Ụlọ nyocha nke oge a na-ahọrọkarịsCMOS igwefoto, nke na-enye nguzozi nke uche, oke ike, yana ezigbo pikselụ maka onyonyo ihe ndụ na-arụ ọrụ dị elu.

● Foto:Ijikọ ihe mmetụta megapixel dị elu na lenses nke na-enweghị ike idozi nkọwa dị mma na-ebutekarị nkwalite na-enweghị atụ na nkọ. Ndị na-ese foto ọkachamara na-edozi anya anya na igwefoto iji zere mkpebi efu.

● Igwe Ọhụụ &Igwefoto sayensịNa njikwa mma na nyocha ụlọ ọrụ mmepụta ihe, obere atụmatụ efu efu n'ihi nlegharị anya nwere ike ịpụta akụkụ ndị nwere nkwarụ agaghị achọpụta. Enwere ike iji ihe karịrị akarị maka mbugharị dijitalụ ma ọ bụ kwalite nhazi.

Mgbe ị ga-adaba na Nyquist: Oversampling na Undersampling

Nyquist sampling na-anọchite anya nguzozi dị mma, mana na omume, sistemu onyonyo nwere ike kpachapụrụ anya ma ọ bụ mebie ya dabere na ngwa a.

Kedu ihe bụ Undersampling

N'ihe gbasara ngwa ebe nghọta dị mkpa karịa idozi ntakịrị nkọwapụta dị mma, iji nha pikselụ oghere ihe karịrị ihe Nyquist chọrọ nwere ike bute nnukwu uru nchịkọta ọkụ. A na-akpọ nke a undersampling.

Nke a na-enye nkọwa zuru oke, mana ọ nwere ike ịba uru mgbe:

● Mmetụta dị oke egwu: pikselụ buru ibu na-anakọta ọkụ karịa, na-eme ka ogo mgbama na mkpọtụ na eserese dị obere.
● Ihe na-agba ọsọ: pikselụ ole na ole na-ebelata oge ịgụ ihe, na-eme ka ọ nweta ngwa ngwa.
● Achọrọ arụmọrụ data: nha faịlụ pere mpe ka mma na sistemụ nwere oke bandwidth.

Ọmụmaatụ: N'ihe onyonyo calcium ma ọ bụ voltaji, a na-agbanyekarị akara n'elu mpaghara mmasị, yabụ nleba anya na-eme ka nchịkọta ọkụ dịkwuo mma na-emebighị nsonaazụ sayensị.

Gịnị bụ Oversampling

N'aka nke ọzọ, ọtụtụ ngwa ndị na-edozi nkọwa dị mma bụ isi, ma ọ bụ ngwa na-eji ụzọ nyocha mgbe enwetara ozi iji nwetaghachi ozi ndị ọzọ gafere oke diffraction, chọrọ pikselụ eserese pere mpe karịa ihe Nyquist chọrọ, nke a na-akpọ oversampling.

Ọ bụ ezie na nke a anaghị amụba ezigbo mkpebi anya, ọ nwere ike inye uru:

● Na-eme ka mbugharị dijitalụ na-enwe obere mfu dị mma.
● Na-emeziwanye nhazi nhazi (dịka ọmụmaatụ, deconvolution, denoising, super-resolution).
● Na-ebelata njikọ a na-ahụ anya mgbe ewedatara onyonyo ma emechaa.

Ọmụmaatụ: Na microscopy, igwefoto sCMOS dị elu nwere ike mejupụta ihe arụrụ arụ ekwentị ka algọridim ngụkọ wee wepụta nkọwa dị mma gafere oke oke.

Echiche na-ezighi ezi

1. megapixels ndị ọzọ na-apụta mgbe niile foto dị nkọ.
Ọ bụghị eziokwu. Nkọ na-adabere na ma ike nzizi oghere yana ma ihe mmetụta sensọ ọ na-enyocha nke ọma.

2. Ọ bụla ezi oghere na-arụ ọrụ nke ọma na ihe ọ bụla elu-mkpebi ihe mmetụta.
Egwuregwu na-adịghị mma n'etiti mkpebi lens na pikselụ pitch ga-amachi arụmọrụ.

3, Nyquist sampling bụ naanị mkpa na mgbaàmà nhazi, ọ bụghị imaging.
N'ụzọ megidere nke ahụ, onyonyo dijitalụ bụ n'ụzọ bụ isi usoro nlele, yana Nyquist dị mkpa ebe a dịka na ọdịyo ma ọ bụ nkwukọrịta.

Mmechi

Nyquist sampling karịrị a mgbakọ na mwepụ abstraction - ọ bụ ụkpụrụ na-ahụ na anya na dijitalụ mkpebi na-arụkọ ọrụ ọnụ. Site n'ịkwado ike idozi anya anya na ike nlele nke sensọ, sistemu onyonyo na-enweta nghọta kachasị na-enweghị ihe arịa ma ọ bụ ikike efu.

Maka ndị ọkachamara n'ọhịa dị iche iche dị ka microscopy, mbara igwe, foto, na ọhụụ igwe, ịghọta Nyquist sampling bụ isi ihe na-emepụta ma ọ bụ ịhọrọ usoro onyogho nke na-ebute nsonaazụ a pụrụ ịdabere na ya. N'ikpeazụ, ịdịmma onyonyo na-abịa ọ bụghị site n'ịkwanye otu nkọwapụta na oke kama site n'inweta nguzozi.

Ajụjụ

Kedu ihe ga - eme ma ọ bụrụ na nlele Nyquist enweghị afọ ojuju na igwefoto?
Mgbe ọnụego nlele dara n'okpuru oke Nyquist, ihe mmetụta enweghị ike ịnọchite anya nkọwa dị mma. Nke a na-ebute aliasing, nke na-apụta dị ka akụkụ ndị nwere nkụja, ụkpụrụ moiré, ma ọ bụ textures ụgha nke na-adịghị adị n'ezie.

Kedu ka nha pikselụ si emetụta nlele Nyquist?
Pikselụ pere mpe na-abawanye ugboro Nyquist, nke pụtara na ihe mmetụta nwere ike na-edozi nkọwa kacha mma. Mana ọ bụrụ na oghere enweghị ike ibuga ọkwa nke mkpebi ahụ, pikselụ ndị ọzọ na-agbakwunye ntakịrị uru ma nwee ike ịbawanye mkpọtụ.

Nyquist sample dị iche maka monochrome vs. ụcha sensọ?
Ee. N'ime ihe mmetụta monochrome, ihe nlele pixel ọ bụla na-enwu ozugbo, yabụ ugboro Nyquist dị irè dabara na pikselụ. N'ime ihe mmetụta agba nwere nzacha Bayer, ọwa agba ọ bụla bụ nke a na-eleghị anya, yabụ mkpebi dị mma ka emechara demosaicing dị ntakịrị ala.

Tucsen Photonics Co., Ltd. Ikike niile echekwabara. Mgbe ị na-ehota ihe, biko kwenye isi iyi:www.tucsen.com